El Motor de Explosión

Seguidamente se produce el escape, a volumen constante, y durante esta fase del ciclo se sustrae el calor Q2
(fig.1.22), que está representado por la superficie rayada debajo de la línea de transformación a volumen
constante 4−1.Mientras tanto, la presión ha descendido de 4−1 (fig1.21).
El trabajo útil W1 − W2 equivale, por tanto, a la superficie del ciclo 1−2−3−4(fig1.22). De igual modo, el
calor utilizado Q1−Q2 viene dado por la superficie del ciclo 2−3−4−1 (fig.1.22.).
Como el trabajo útil es igual al calor utilizado, podemos escribir:
W2 − W1 = Q1 − Q2
Que nos permite calcular el trabajo útil y el rendimiento térmico del ciclo, utilizando los valores Q1 y Q2, más
fáciles de medir.
En la figura 1.23 se ha
representado el ciclo
teórico de un motor de
explosión, tanto en
coordenadas p−v, como
en T−S. Las
transformaciones
termodinámica que se
verifican son:
1−2 Adiabatica (sin
intercambio de calor con
el exterior): Compresión
del fluido activo y trabajo
realizado por el pistón
correspondiente al área
1−2−5−6−1, en el
diagrama p−v.
2−3 A volumen
constante: Introducción
instantánea del calor
suministrado, igual al área
2−3−6−5−2 en el
diagrama T−S.
3−4 Adiabatica:
Expansión y trabajo
correspondiente
producido por el fluido
activo, igual al área
3−4−6−5−3 en el
diagrama p−v.
4−1 A volumen
constante: Sustracción
1
instantánea del calor,
igual al área 4−1−5−6−4
en el diagrama T−S.
En realidad, en los motores de cuatro tiempos, la sustracción del calor se realiza durante la carrera de escape
1−0 y el fluido se introduce en el cilindro en la de admisión 0−1, lo que se representa en el diagrama p−v
mediante una horizontal. Los efectos de ambos procesos se anulan mutuamente, sin ganancia ni perdida de
trabajo, por cuya causa, no suelen considerarse en los diagramas.
1.5 DIFERENCIAS ENTRE LOS CICLOS REALES Y LOS TEORICOS
Entre un ciclo real y el teórico correspondiente a un motor de explosión, existen diferencias sustanciales, tanto
en la forma del diagrama, como en los valores de temperatura s y presiones. Las curvas de compresión y
expansión tienen un perfil distinto, en el que los trazos rectilíneos de introducción y sustracción del calor se
redondean, al igual que ocurre con los vértices del diagrama. Las causas de estas diferencias son las
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siguientes:
• Perdidas de calor
En el ciclo teórico son nulas, pero bastante sensibles en el real. Dado que el cilindro esta refrigerado
(condición imprescindible para lograr un buen funcionamiento, sin que la temperatura sobrepase ciertos
limites perjudiciales para el material), una cierta parte del calor del fluido se transmite a las paredes, con lo
cual, las líneas de compresión y expansión no son adiabáticas, sino politrópicas, por cuya causa, existe una
perdida de trabajo útil(fig.1.25), que corresponde a la superficie A, siendo el diagrama de trazos discontinuos
el teórico y el de trazo continuo el real.
• Combustión no instantánea
En el ciclo real, la combustión dura un cierto tiempo, con lo cual, no se realiza a volumen cte.Si el encedido
tuviese lugar en el p.m.s., la combustión se desarrollaria mientras el pistón baja, con lo que el valor de la
presión resultaría inferior al previsto, con la correspondiente perdida de trabajo útil. Por esta razón es
necesario anticipar el encendido (punto e) de manera que la combustión se inicie un poco antes de que el
pistón alcance el p.m.s, realizándose en su totalidad mientras se encuentre en las proximidades de este nivel.
Esto produce un redondeamiento de la línea teórica 2−3 de combustión (introducción de calor) y, en
consecuencia, una perdida de trabajo útil, representada por las superficies B.Sin embargo, esta perdida resulta
menor de la que tendría lugar si no se adelantase el encendido.
• Tiempo de abertura de la válvula de escape
En el ciclo real, la sustracción de calor tiene lugar en un cierto tiempo y no instantáneamente como se supuso
en el teorico. La válvula de escape debe abrirse un poco antes de que el pistón alcance el p.m.i (punto F ) para
que la presión descienda y no se le presenten dificultades en su movimiento ascendente posterior. Este hecho
supone una perdida de trabajo útil representada por el área C, que es, sin embargo, menor de la que se tendría
sin el AAE.
• Carreras de escape y de admisión
En el ciclo real, durante la carrera de escape la presión se mantiene por encima de la atmosferica, mientras que
en la de admisión resulta inferior a ella. Se crea, por tanto, en el diagrama, una superficie negativa D, que
corresponde al trabajo perdido realizado por el pistón en estas dos carreras, llamado Trabajo de Bombeo.
• Disociación en la combustión
Los productos de la combustión son esencialmente CO2 Y H2O, además de otros compuestos como CO, H2 y
O2.La disociación de los mismos es una reacción que se lleva a cabo con absorción de calor, lo que supone
que la temperatura máxima alcanzable sea menor y, en consecuencia, una perdida de trabajo útil.
• Aumento del calor especifico del fluido con la temperatura
Ya es sabido que los calores específicos a presión cte. cp y a volumen constante cv de un gas real, crecen con
la temperatura, lo que supone que los valores de la presión y temperatura máximas, resulten inferiores a los
que se obtendrían si los calores específicos permanecieran constantes al variar la temperatura y, son por causa,
que los valores de presión y temperatura máximas son, en el ciclo real, inferiores a los correspondientes al
ciclo teórico.
• ANALISIS DEL DIAGRAMA REAL
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Conociendo el ciclo real de un motor, puede trazarse el diagrama de las presiones en función del
desplazamiento angular del cigüeñal, en lugar de hacerlo en función del volumen o del movimiento del pistón.
En la figura 1.24 se ha representado uno de
estos diagramas, correspondientes a un motor
de explosión funcionando en el ciclo de cuatro
tiempos. Un análisis de este diagrama nos
muestra:
• Admisión
Al comienzo de esta carrera (punto1), la
presión existente en el interior del cilindro es
ligeramente superior a la atmosferica, por no
haber terminado todavía la fase de escape
Cuando el pistón alcanza el punto 2 en su movimiento descendente, comienza la aspiración de la mezcla a
través de la válvula de admisión, abierta como se sabe con anterioridad. Durante casi toda la fase de
aspiración reina en el cilindro una presión inferior a la atmosferica, a causa de la resistencia que encuentra el
fluido a su paso por los conductos, lo que origina la llamada depresión en la aspiración, que resulta tanto
mayor, cuanto más alta es la velocidad del gas.
Cuando el pistón inicia su carrera ascendente (punto 3), una vez sobrepasado el p.m.i., el cilindro se encuentra
todavía en depresión, por lo cual, a pesar de la subida del pistón sigue entrando el gas en el cilindro hasta el
punto 4, donde se iguala la presión interna a la atmosferica. En este punto debe cerrarse la válvula de
admisión, pues aquí se inicia la verdadera compresión. No obstante, cuando el conducto de admisión es largo,
dada la inercia de la columna gaseosa, puede continuar la admisión todavía durante un cierto tiempo,
retardando un poco mas el cierre de la válvula.
• Compresión
Como consecuencia del movimiento ascendente del pistón, se produce la compresión del fluido, que se inicia
en el punto 4 y terminaría en 6´ si no se produjese la combustión. El punto 6´da el valor máximo alcanzado
por la presión en el interior del cilindro, si no se produce el encendido de la mezcla.
• Combustión y expansión
Un poco antes de finalizar la compresión (punto 5), se produce el encendido iniciándose la combustión, que
origina una brusca subida de la presión, que alcanza su valor máximo en el punto 7, cuando el pistón ya ha
sobrepasado el p.m.s., en el que la presión toma el valor 6, mayor que el correspondiente (6´)al no encendido.
La combustión finaliza cuando el pistón ya ha efectuado una parte de su carrera descendente y seguidamente
sobreviene la expansión. El volumen aumenta y la presión experimenta un rápido descenso, hasta que en el
punto 8 se abre la válvula de escape, iniciándose esta fase con un brusco descenso de la presión.
La expansión debería prolongarse el mayor tiempo posible para aprovechar al máximo el trabajo que se
desarrolla en esta fase; pero en la practica, para facilitar la expulsión de los gases quemados, la válvula de
escape debe abrirse con antelación, al objeto de que el pistón no encuentre apenas oposición a su inmediato
movimiento ascendente.
• Escape
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En el momento de la apertura de la válvula de escape (punto 8), los gases se descargan con violencia al
exterior y la presión desciende bruscamente y, en el punto 9, cuando se inicia la carrera ascendente del
pistón, es casi de igual valor que la atmosferica, descendiendo aun más en el inicio de esta nueva carrera. La
velocidad de salida de los gases de escape crea una depresión (punto 10), que rápidamente se ve
contrarrestada por la subida del pistón (punto 11), el cual, a medida que sube va expulsando los gases,
sometiéndolos a una presión ligeramente superior a la atmosferica, que se mantiene incluso cuando el pistón
ha alcanzado el p.m.s y comienza a descender en la carrera de admisión. Por este motivo se mantiene todavía
abierta la válvula de escape, que se cierra en el punto 2, cuando ya la presión esta al nivel de la atmosferica y
comienzan a entrar en el cilindro los gases de admisión, cuya válvula se ha abierto en el punto 12.
Comienza así de nuevo ciclo, que se repetirá regularmente.
• ESTRUCTURA DEL MOTOR
Los motores alternativos más empleados en el automovil, son los que funcionan en el ciclo de cuatro tiempos,
los de encendido por chispa (explosión). En los motores de explosión, el combustible puede hacerse llegar al
cilindro por mediación del carburador, que realiza y dosifica la mezcla de aire y combustible.
En la figura 1.25 se muestra un motor de cuatro cilindros seccionado, donde puede observase el cigüeñal,
ensamblado al bloque de cilindros en los apoyos de bancada A.En sus codos C se fijan las bielas B, que por su
otro extremo se unen al pistón P por medio de la articulación del bulón D.El giro del cigüeñal es regulado por
el volante de inercia V, al cual se fija el mecanismo de embrague E, que transmitirá su movimiento a la caja
de velocidades y a las ruedas motrices.
El pistón se desliza en el interior del cilindro F, que por su parte superior se encuentra cerrado por la culata G,
en la que se alojan las válvulas de admisión H y de escape I, que cierran o ponen en comunicación con el
cilindro, los conductos respectivos de admisión J (que comunica con el carburador K) y de escape L(que
comunica con el sistema de escape).
El arbol de levas M, manda a través de los taqués T, empujadores N y balancines O la apertura o cierre de las
válvulas.
Roscada en la misma cámara de compresión formada en la culata, se encuentra la bujía Q, en la que se hace
saltar la chispa que inflama la mezcla de aire y combustible. Los impulsos de corriente de las bujías son
enviados desde el distribuidor de tensión R.
La parte inferior del motor se cierra con el cárter inferior S, en el que se aloja la bomba de aceite X, que se
encarga de lubrificar las partes móviles del motor. En el extremo delantero del cigüeñal, se dispone un sistema
de engranaje y de cadena Y, para dar movimiento ala arbol de levas, y una polea Z que manda la bomba de
agua del sistema de refrigeración del motor y el generador de energia eléctrica, no representado en esta figura.
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• RENDIMIENTO GLOBAL.BALANCE TERMICO
1.RENDIMIENTO
La parte de energia suministrada al motor que no aparece en forma de trabajo mecánico, se pierde en forma de
calor. Supongamos un motor que está funcionando y conservemos lo que pasa en un cilindro:
Expansión : Dado que la combustión se produce en un tiempo muy corto, podemos admitir que todo el calor
se emplea en elevar la temperatura y, por consiguiente, la presión de los gases. El pistón desciende empujado
por esta presión permitiendo la dilatación del gas; pero durante este periodo de tiempo hay intercambio de
calor entre los gases, cuya temperatura es de unos 2000 ºC, y las paredes de los cilindros, que están
aproximadamente a 100 ºC. Este intercambio es tanto más importante, cuanto mayor sea la diferencia de
temperaturas, superficie de las paredes y tiempo que dura dicho intercambio.
Escape : Antes de finalizar esta carrera, la válvula de escape se abre y los gases salen al exterior. Al comienzo
de este tiempo, los gases poseen aún una temperatura bastante elevada, pues solamente han cedido calor por
expansión y por perdida a través de las paredes. El resto de su energia se pierde, pues, en el transcurso de esta
carrera.
Para reducir esta perdida al mínimo, se ha de procurar enfriar los gases cuantos sea posible, pero de una
manera útil, puesto que la perdida es la misma si el calor es disipado por los gases a la atmósfera, o bien
cedido a las paredes. La manera útil de enfriarlos es aumentar la carrera de expansión.
El escape influye, además, de otra manera sobre el rendimiento, influencia que se traduce, no en una perdida
de calor, sino en una disminución de la energia cinética del émbolo. Al retroceder este en su carrera, ha de
vencer la contrapresión que se produce en el cilindro y en el tubo de escape, de donde se deduce que es
necesario reducir dicha contrapresión.
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Aspiración : Durante este tiempo, al igual que en el de escape, la energia cinética del embolo disminuye,
to9da vez que este ha de vencer la depresión que existe en el cilindro, por cuya causa, como en el caso del
escape, hay que reducir todo lo posible dicha depresión.
De otra parte, al ponerse el gas en contacto con las paredes calientes del cilindro, aumenta la temperatura, por
lo cual, debe procurarse favorecer dicho calentamiento, prolongándolo cuanto sea posible. Como no cabe
pensar en aumentar la carrera de aspiración y, de otra parte, no es conveniente enfriar mucho las paredes del
cilindro, como ya vimos al tratar el tiempo de expansión, será preciso calentar el gas antes de su entrada en el
cilindro.
Compresión : El trabajo empleado en comprimir el gas antes de la combustión, reduce indudablemente el
trabajo disponible. Sin embargo, para aumentar el rendimiento, no es necesario disminuir la compresión, sino
todo lo contrario.
Por una parte, el gas se calienta al ser comprimido y esta energia aparece durante el periodo útil del ciclo. De
otra parte, es evidente que al final de la compresión interesa obtener una presión tan elevada como sea posible,
y esta es tanto mas elevada, cuanto mayor sea la cantidad de combustible quemado en un recinto dado.
Para concentrar sobre él embolo en una gran masa de gases explosivos, bastara adoptar una compresión
elevada.
Encendido : Finalmente, para obtener una combustión rápida (cuyo resultado es una presión final elevada),
hay que emplear un encendido intenso.
En resumen, las condiciones que se requieren para obtener un rendimiento elevado son:
• Mantener los cilindro a elevada temperatura
• Reducir en lo posible la duración de la expansión
• Disminuir la superficie de las paredes
• Aumentar la carrera de la expansión
• Reducir al máximo la contrapresión en el tiempo de escape.
• Reducir al máximo la depresión en el tiempo de aspiración
• Calentar el gas antes de introducirlo en el cilindro.
• Adoptar una compresión elevada
• Emplear un encendido intenso
2.RENDIMIENTO MECANICO
El trabajo perdido en la transmisión, desde él embola al arbol motor, se emplea ya en vencer rozamientos y en
mover los órganos accesorios del motor.
Funciones accesorias: El movimiento de los mecanismos que las realizan, absorbe necesariamente una parte
del trabajo producido por el motor. El generador, las bombas de agua y aceite y el ventilador, restan una
potencia al motor nada despreciable.
Sistema de escape: La instalación necesaria para la evaluación al exterior de los gases quemados, requiere un
cuidadoso estudio en cuanto a la longitud y sección de paso se refiere, para evitar una resonancia acentuada y
una perdida de potencia. La tubería de escape no debe presentar estrechamiento alguno y su sección debe ser
suficiente.
Rozamiento: Los rozamientos a vencer son los que más influyen sobre el rendimiento mecanico. Los
segmentos, aplicándose como resortes contra las paredes del cilindro, ejercen una presión que no puede ser
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inferior a cierto valor, si se quieren evitar perdidas de compresión por fugas de gases hacia el cárter entre ellos
y las paredes. Se reduce el rozamiento al mínimo engrasando todas lo posible ambas piezas.
El émbolo roza, asimismo, en el interior del cilindro, contra el cual ejerce una fuerte presión debido a
determinadas posiciones de la biela. La oblicuidad de esta puede disminuirse en el momento más perjudicial,
es decir, durante la carrera de expansión, descentrando convenientemente el motor, como ya se verá.
Los cojinetes de apoyo del cigüeñal y de las propias bielas, producen un rozamiento elevado, que puede ser
disminuido grandemente engrasando convenientemente estas uniones.
3. BALANCE TERMICO
Después de lo expuesto, aparece claro que solamente una pequeña parte de la energia calorífica del
combustible quemado en un motor, se transforma en energia mecanica. El resto se dispersa de diversas
formas. La figura 1.26 muestra el balance térmico de un motor de características medias, donde puede
observase que el 100% del poder calorífico del combustible, se pierde un 20% en el agua de refrigeración, un
35% en el escape y un 15%en rozamientos mecánicos y resistencias pasivas. Queda, pues, un 30% de calorías
útiles de las que puede disponerse para propulsar el vehículo.
Esta enorme desproporción, obliga a los constructores a estudios
cada día más profundos para mejorar el rendimiento de sus
motores, cuyo desarrollo tecnológico es cada vez más avanzado.
• Curvas Características del Motor
El trabajo que es capaz de realizar un motor, esta definido por
sus curvas características. Fundamentalmente pueden reseñarse
las del par, potencia y consumo especifico de combustible, en
función del régimen de giro.
En la figura 1.27 se han representado las curvas características
de un motor, obtenidas en el banco de pruebas en condiciones
de máximas alimentación, es decir, a pleno gases. En función
del régimen de giro, se dan la potencia en CV, el par en kgm y
el consumo especifico en gr/CVh.
El par desarrollado varía con la velocidad de rotación del motor, alcanzando su valor máximo en el punto A,
que corresponde al régimen en que la curva de potencia alcanza su punto de tangencia, con respecto a la
tangente a esta curva trazada desde el origen de los ejes de coordenadas. Efectivamente, teniendo en cuenta
(como se vio en 1.27) que
Podemos deducir que el par motor RF es:
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Y como la fracción Pe/n es precisamente la tangente del ángulo , podemos concluir que el par motor es
máximo para el mayor valor de :
En las velocidades intermedias, como la del régimen correspondiente al punto A, el rendimiento volumétrico
es elevado, dado que penetran gran cantidad de gases en el cilindro en el tiempo que está abierta la válvula de
admisión, lo que significa obtener una fuerte presión sobre él embolo en el tiempo de combustión, que
determina un par motor máximo.
A velocidades superiores, se dispone de menor tiempo para el llenado del cilindro, entrando en el menor
cantidad de gases, con el consiguiente descenso de la presión desarrollada y, en consecuencia, del par motor.
En la figura 1.27 puede verse que el valor de la potencia aumenta con el regimen hasta un cierto valor (punto
B), después del cual disminuye rápidamente hasta anularse en C.Dado que la potencia es directamente
proporcional al par motor y al regimen de giro, se guiara aumentando aún después de que el par haya
comenzado a decrecer, pues aunque disminuye la masa del fluido activo utilizada por cada ciclo, aumenta él
numero de estos y, con ello, la masa total utilizada en la unidad de tiempo. Alcanzado un cierto regimen (el
correspondiente al punto B), la masa de fluido activo disminuye más rápidamente de lo que aumenta él
numero de ciclos en la unidad de tiempo, con lo cual, la potencia comienza a decrecer. En el punto D se
alcanza el regimen máximo de giro del motor, que no puede ser sobrepasado dado que las caídas de potencia y
par son muy significativas. De ahí la limitación que tiene todo motor.
El regimen correspondiente al punto E, es el de la marcha a ralentí, durante la cual, la potencia desarrollada
por el motor es absorbida totalmente por las resistencias mecánicas. Por debajo de este valor, el
funcionamiento del motor resulta irregular.
Cuando la potencia desarrollada por un
motor se mantiene sensiblemente igual en
un margen amplio de revoluciones, se dice
que el motor es plano o elastico. Los
motores cuadrados y supercuadrados son
generalmente de este tipo. Si la potencia
máxima se obtiene en un margen pequeño
de revoluciones, se dice que el motor es
agudo. En la figura 1.28 se dan las curvas de
potencia representativas de estos motores.
PROBLEMA PRACTICO
Ejemplo de Ciclo Otto casi practico
Supongamos tener 1 kg. de mezcla gasolina − aire − gases residuales a la presión p1=1 bar y a la temperatura
de T1= 350 º k (temperatura normal de la mezcla en el cilindro al comienzo de la compresión).
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La mezcla se comprime a un volumen 5 veces menor (" = 5), se enciende y se expande. Considerando, a
diferencia de lo que hicimos al examinar el ciclo teórico, que:
• La compresión y la expansión no son adiabáticas, porque a través de las paredes se producen transferencias
de calor;
• Los calores específicos son variables
• Los gases de combustión se disocian;
Pero suponiendo además que:
• El encendido es instantáneo
• El numero de moléculas no es alterado por la combustión;
Determinemos las presiones y las temperaturas que se alcanzaran en los puntos característicos del ciclo.
Ya establecimos para el punto 1:
P1=1 bar ; T1=350 º K
Admitiendo que la compresión se produce según un proceso politropico caracterizado por n=1,30 y por las
formulas p2=p1*" n y T2= T1*" n−1 , obtenemos :
P2 = 8,1 bar ; T2 = 567 º K
Supongamos que el combustible desarrollado una cantidad de calor =46000 kj/kg. Y consideremos la
presencia de los gases residuales evaluándolos como lo confirma la practica, en 1 kg. por cada 15 kg. de aire.
El calor desarrollado por 1 kg. de mezcla aire − combustible − gases residuales será de unos 46000/17,2 =
2674 kj.Admitiendo que por efecto de la disociación se pierda el 6%, quedan utilizables 2674*0,94 =2514 kj.
Para obtener del calor proporcionado el aumento de temperatura del fluido T, es preciso tener en cuenta la
variación de su calor especifico con las temperaturas, para lo cual nos servimos de la formula de langen en la
que la cte. D vale 0,0003 tendremos:
De donde se obtiene T=1940 ºK, que sumando a T2 da:
T3=2507 ºK
Admitiendo además la combustión instantánea, es decir a v cte. se tiene:
P3= 35,8 bar
En el punto 4, suponiendo que el exponente politropico de expansión también es igual a 1,3, se tiene:
P4= 4,45 bar T4=1565 ºK
Este ejemplo, si bien esta basado en hipótesis lejanas de la realidad, demuestra que las temperaturas
máximas alcanzadas por los gases inmediatamente después de la combustión son muy inferiores a los que
haría suponer el ciclo teórico.
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ANALISIS TERMODINAMICO DE UN MOTOR DE EXPLOSION IKER ANTON
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Fig.1.22
Fig.1.23
Fig.
1.24
Fig.1.25
Fig.1.26
Fig.1.27
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